Für die Zukunft gerüstet: Ultraschall-Durchflussmessungen in Fackelanlagen

Der zunehmende Wettbewerb in der Prozessindustrie führt dazu, dass Betrieb und Serviceleistungen ständig optimiert werden müssen. Auch die Umweltauflagen für das Abfackeln werden immer strenger. Ultraschall-Durchflussmessgeräte werden seit über 30 Jahren zur Messung des Durchflusses in Fackelschornsteinen eingesetzt. Heute ist die Durchflussmessung in Fackeln eine der anspruchsvollsten Anwendungen, da sich Geschwindigkeiten und Gaszusammensetzungen schnell ändern können.

Fackelschornsteine sind in vielen Industriezweigen ein integraler Bestandteil des Sicherheits- und Abgassystems, da sie die kontrollierte Entlüftung großer Mengen brennbarer Komponenten unter Störungsbedingungen ermöglichen. Druck, Volumenstrom und Zusammensetzung von Fackelgasen können sich jedoch innerhalb kurzer Zeiträume erheblich ändern.

Optimierte Produktionsanlagen haben höhere Kapazitäten und führen daher zu höheren maximalen Durchflussbedingungen über der Fackel. In Raffinerien und petrochemischen Anlagen wurden während der Abschaltung schon Strömungsgeschwindigkeiten von mehr als 120 m/s gemessen.

Abgas oder Fackelgas kann in seiner Zusammensetzung stark variieren, so dass mit abrupten Änderungen der Strömungsbedingungen gerechnet werden muss. Darüber hinaus werden die niedrigen Durchflussbedingungen für die Prozesssteuerung und -optimierung sowie für die Erkennung von Ventilleckagen unter normalen Betriebsbedingungen immer wichtiger. Minimale Durchflussraten erfordern hochauflösende Wandlertechnologie und fortschrittliche Signalverarbeitungsalgorithmen, um eine exakte Zeitmessung zu gewährleisten. Hohe Strömungsgeschwindigkeiten führen zu starkem Rauschen im strömenden Gas, wenn z. B. Ventile vor der akustischen Ultraschallmessung installiert sind. Auch die Drift des "Ultraschallstrahls" muss bei hohen Gasgeschwindigkeiten berücksichtigt werden.

Entwicklung des globalen regulatorischen Umfelds

Die Umweltvorschriften werden in vielen Branchen weltweit strenger. In der Raffinerie-, Chemie- und Petrochemieindustrie ist die Ultraschalltechnologie bereits seit vielen Jahren etabliert. Jetzt kommen verstärkter gesetzlicher Druck und Meldepflichten in das Spiel.

Dies hat starke Auswirkungen auf den Bedarf an einer zuverlässigen Fackelmessung und Datenverfügbarkeit - auch unter schwierigen Bedingungen. Während die Vorschriften für die Raffinerie-, Chemie- und Petrochemieindustrie bereits definiert sind, sehen wir auch in vielen anderen Bereichen eine proaktive Suche nach technischen Lösungen, um zukünftige Umweltvorschriften zu erfüllen. Gerade im Bereich des Reporting bietet die Ultraschalltechnologie auch hier viele Vorteile gegenüber anderen Technologien.

Herausforderungen bei der Fackelmessung und technische Lösungen

Ultraschall ist eine bewährte Technologie in der Durchflussmessung. Die Anwendungen reichen von der eichpflichtigen Messung bis hin zur Durchflussmessung in Fackeln oder der Emissionskontrolle. Im Prinzip messen Ultraschalldurchflussmesser die Laufzeitdifferenz mit und gegen das strömende Fluid auf einem akustischen Pfad und schließen daraus auf die mittlere Strömungsgeschwindigkeit. Mittlere Strömungsgeschwindigkeit bedeutet hier, dass die über den Rohrquerschnitt gemessene Strömungsgeschwindigkeit gemittelt wird.

Einer der Hauptzwecke der Fackelgasmessung ist die genaue Abzählbarkeit von THG (Treibhausgas). Die genaue Messung von Treibhausgasen hat in den letzten Jahren an Bed eutung gewonnen. Die Gebühren und Steuern auf Luftverschmutzung steigen ständig. Damit steigt auch der Bedarf an genauen und ständig verfügbaren Messergebnissen. Im Umgang mit schwierigen Fackelgasbedingungen stellen die Anforderungen an die Messtechnik eine Herausforderung dar. Gerade in der Öl- und Gasindustrie sowie der chemischen und petrochemischen Industrie treten diese Bedingungen auf

• Gasgeschwindigkeiten von 0 m/s bis 120 m/s
• Schnelle Änderungen der Gasgeschwindigkeit
• Schnell wechselnde Gasgemische mit Erdgas, Wasserstoff, Autokohlendioxid etc.
  
   

Active Sound Correlation: Zuverlässig auch bei hohen Gasgeschwindigkeiten

Eine der wichtigsten Eigenschaften eines Fackelmesssystems ist die Sicherstellung der Messverfügbarkeit auch bei hohen Gasgeschwindigkeiten. Die innovative ASC-Technologie (active sound correlation technology) erweitert nun den bisherigen maximalen Durchflussbereich um bis zu 30%. ASC korreliert die Gasgeschwindigkeit mit anwendungsspezifischen Geräuschen, die bei hohen Durchflussbedingungen entstehen. In diesem Fall arbeitet der Sensor wie ein Mikrofon. Die patentierte ASC-Technologie ermöglicht somit eine noch bessere Erfassung möglicher Fackelgasereignisse.

Einfache Wartung. 1-Click-verifikation. Selbstdiagnose.

Die Verknüpfung von Software und Firmware eröffnet eine Vielzahl neuer Funktionen und Vorteile: Das selbstüberwachende System liefert wertvolle Daten über den Gerätestatus, zeigt Trends auf und weist auf relevante Veränderungen hin. Applikationsfehler werden sofort erkannt und dokumentiert; eine zeitaufwändige Fehlersuche entfällt dadurch. Auf Wunsch verifiziert sich das System selbst und protokolliert seinen aktuellen Status. Auf diese Weise kann der Anwender sehr einfach Dokumente erstellen, die helfen, die Einhaltung der Emissionsvorschriften nachzuweisen - alles aus der Ferne und ohne, dass ein Servicetechniker vor Ort geschickt werden muss. Dies reduziert die Betriebs- und Sicherheitsrisiken in hohem Maße.

Selbstüberwachende Lösungen wie i-diagnostics™ unterstützen den Wechsel von der zeitbasierten Wartung zur zustandsorientierten Wartung, was zu einer Verringerung der Wartungsintervalle und damit auch der Wartungskosten führt.

• Vorausschauende Wartung und flexible Wartungsintervalle:
  Das System überwacht permanent Parameter wie die "automatische Verstärkungsregelung" oder das "Signalrauschverhältnis". Basierend auf vorhandenen Daten und der Entwicklung von Messwerten liefert i-diagnostics™ zuverlässige Vorhersagen und Wartungsempfehlungen. So werden systemkritische Betriebszustände vermieden - und ungeplante Ausfallzeiten verhindert.
   
• 1-Click-Verifikationsreport: sofortige Geräteüberprüfung:
  Auf Wunsch prüft sich das System selbst und protokolliert seinen aktuellen Status. Anwender haben so die Möglichkeit, unkompliziert Nachweisdokumente zu erstellen, um die Einhaltung der Emissionsanforderungen zu belegen.
   
• Automatische Selbstdiagnose:
  i-diagnostics™ verknüpft Software und Firmware auf intelligente Weise: Das Selbstüberwachungssystem liefert wertvolle Daten über den Gerätestatus und zeigt alle Änderungen an. Anwendungsfehler werden sofort erkannt und dokumentiert - eine langwierige Fehlersuche entfällt.

Für jede Herausforderung die passende Lösung

Fackelgaszähler mit Ultraschalltechnologie werden in verschiedenen Anwendungen mit unterschiedlichen Anforderungen eingesetzt, daher ist eine genaue Kenntnis der einzelnen Herausforderungen erforderlich, um die richtige Lösung anzubieten. In der Raffinerieindustrie z. B. schreiben die aktuellen US EPA-Vorschriften einen Mindestheizwert der Verbrennungszone von 270 BTU/scf vor. Außerdem ist ein Nettoheizwert-Verdünnungsparameter von NHVdil ≥ 22 BTU/ft2 für alle Dampffackeln erforderlich. All dies unter Beibehaltung eines hohen Verbrennungswirkungsgrads. Um diese Anforderungen zu erfüllen und die Heiztemperatur auf dem erforderlichen Niveau zu halten, können auch Ultraschall-Gasdurchflussmesser zur Steuerung der Dampfzufuhr eingesetzt werden.

Der neue FLOWSIC100 Flare-XT Gasdurchflussmesser ist in drei verschiedenen Versionen erhältlich. Alle Versionen sind als 1- oder 2-Pfad-Messsystem erhältlich. Cross-Duct-Ausführung als auch eine Lanzenversion mit Einzelstutzen sind in beiden Pfadkonfigurationen verfügbar. Die Lanzenversion ist für den kompakten, einseitigen Einbau geeignet, was den Installationsaufwand minimiert. Die 2-Pfad-Version erreicht hohe Messgenauigkeiten auch bei schwierigen Strömungsverhältnissen und bietet eine Messredundanz. Ein Geräteauszugsmechanismus ermöglicht zudem einen einfachen und schnellen Austausch der Sensoren im laufenden Betrieb der Anlage. Die leistungsfähige Interface-Einheit lässt sich dank zahlreicher Schnittstellen problemlos an verschiedenste Systeme und Netzwerke anschließen.

Die Schnittstelleneinheit verarbeitet die eingehenden Signale und errechnet Parameter, wie Molekulargewicht, Massenstrom und Gas Volumen sowie standardisierte Referenzwerte. Über eine Infrarotschnittstelle lässt sich das System dank der FLOWgate™-Software intuitiv von einem Laptop oder Tablet dank der FLOWgate™-Software intuitiv bedient werden. Integriert Ethernet- und RS-485-Schnittstellen ermöglichen die Überwachung des Gerätestatus aus der Ferne überwachen.

Wichtige Parameter und Messwertdaten wie Volumenstrom, Massenstrom oder Molekulargewicht werden zuverlässig verarbeitet, ausgewertet und gespeichert. Der interne Speicher ermöglicht dabei eine sichere und strukturierte Langzeitarchivierung der Daten. Dank störungsfreier, digitaler Kommunikation kann die Interface-Einheit bis zu 1.000 m von der Messstelle entfernt installiert werden. Eine lokale, druckgekapselte und möglicherweise teure Steuereinheit ist somit nicht mehr erforderlich.

Alternative zur thermischen Massenmessung

Einige Messprinzipien, wie die Messung der thermischen Masse, benötigen sauberes Gas, um korrekt zu funktionieren. Die Ultraschalltechnologie kann Ablagerungen oder Verunreinigungen auf den Sensoren durch automatische Verstärkung des Signals ausgleichen. Dies optimiert die Wartungsintervalle, maximiert die Betriebszeit der Messung reduziert die Betriebskosten. Darüber hinaus ist die Ultraschall-Fackelgasmessung die einzige Technologie, die die in einer Messspanne von bis zu 1:4000 arbeiten kann. Es besteht keine Notwendigkeit auf eine hohe oder niedrige Strömungsbedingung zu konzentrieren, da Messgeschwindigkeiten von 0,03 m/s bis 120 m/s möglich sind.

Für die Anforderungen im Upstream-Bereich, z.B. bei Fracking-Anwendungen bietet SICK auch den FLOWSIC100 Flare-XT Transmitter an - zuverlässig und robust ohne Nachkalibrierung. Die Sensoren werden direkt an einen bereits vorhandenen Durchflussrechner angeschlossen. Die Schnittstelleneinheit entfällt bei dieser Produktkonfiguration. Es sind weder Druck- noch Temperaturtransmitter notwendig.

Individuelle Anwendungsbewertung liefert spezifische Messleistungen

Bei der Fackelgasmessung ist jede Anwendung anders: Temperatur, Druck, Gasmatrix, Geschwindigkeit etc. können völlig unterschiedlich sein. Deshalb bietet SICK für jede Messstelle eine individuelle Applikationsauswertung an und sucht nach der optimalen Lösung. Nach der Auswertung wird dem Kunden für jede Messstelle ein Fackelgas-Applikationsauswertungsdatenblatt zur Verfügung gestellt - weltweit.

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